谐波的危害与抑制

电力谐波问题日益严重，对电能质量以及电力系统的安全、经济运行带来了很大的影响。治理电力系统谐波污染己经成为电力系统领域所面临的一个重大课题，受到了越来越多的关注，很多国家都对此给予了足够的重视，并在治理谐波污染的理论研究和实际应用方面进行了大量的研究，目前己取得了一些突破性的进展。

有源电力滤波器(Active Power Filter-APF)是一种用来动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对频率和幅值都发生变化的谐波和无功电流进行补偿，克服了无源电力滤波器等传统的谐波抑制和无功功率补偿方法的缺陷。有源电力滤波器补偿电流的检测和控制是决定其工作特性的两个关键性环节，直接影响到它的补偿精度和补偿速度。因此，研究谐波和无功电流的实时检测和跟踪控制具有非常重要的意义。同时它还可以对电力系统中的谐波进行补偿，和传统的谐波补偿方法相比，有源电力滤波器具有巨大的技术优势和良好的发展前景。

什么是谐波?对此国际公认的定义是这样描述的:“谐波是一个周期电气量的正弦波分

量，其频率为基波频率的整数倍”。由于谐波频率是基波频率的整数倍，因此也常常称为高次谐波。电网中的谐波主要是由各种变流设备以及其它非线性负载产生的。当正弦基波电压(当电源阻抗为零阻抗时)施加于非线性负载时，负荷吸收的电流与施加的电压波形不同，畸变电流影响电流回路中的配电设施。在实际存在系统电源阻抗时，畸变电流将在阻抗上产生电压降，因而产生畸变电压，畸变电压将对所有的负荷产生影响。

系统中的主要谐波源可分为两大类:(1)含半导体非线性元件的谐波源:(2)含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。前者如各种整流设备、交流调压装置、变流设备、直流拖动设备整流器、尸附甘变频器、相控调制变频器以及现代工业设施为节能和控制用的电力电子设备等，后者如交流电弧炉、交流电焊机，日光灯和发电机、变压器及铁磁谐振设备等。家用电器设备分属上述两类谐波源，虽然其容量小，但数量很大，因此也是不可忽视的谐波源。所有这些都使得电力系统的电压、电流波形发生畸变，从而产生高次谐波

谐波电流检测技术是有源电力滤波器技术的关键技术之一。谐波电流检测技术的发展直接决定着有源电力滤波器技术的发展，提高谐波电流检测技术水平对提高有源电力滤波器的性能具有十分重要的意义。

瞬时无功功率理论自20世纪80年代提出以来，在许多方面得到成功的应用。基于该理论得出了用于有源电力滤波器的谐波电流检测方法。有源电力滤波器的谐波和无功电流检测法对其整体性能至关重要，而基于瞬时无功功率理论的电流检测法具有较高的准确性和实时性，所以是目前有源电力滤波器中使用最多的谐波和无功电流检测法。本文也主要对基于瞬时无功功率理论的电流检测法作深入讨论。

谐波的危害

从二十世纪六七十年代以来，由于大功率电力电子装置的广泛应用、大量家用电器的使用以及其它各种非线性负载的增加，导致电力系统波形畸变日益严重，加上为了充分利用电工材料，对电工设备日益倾向于采用在其磁化曲线临界情况甚至饱和区段下工作，导致这些设备的励磁电流波形严重偏离正弦波而发生畸变，这些畸变成分是电力系统中谐波产生的根源。谐波对电力系统电磁环境的污染日趋严重并且会危及系统本身和广大电力用户，由谐波引起的各种故障和事故不断发生，对国民经济和生产、生活造成了不必要的损失，因此谐波污染的严重性受到专家和学者越来越多的关注，其危害主要表现在以下几个方面

1.产生附加损耗，增加设备的温升。与基波电流相比，设备的有效电阻会因集肤效应而增大，在有铁芯的电器设备中，铁芯的磁滞损耗和涡流损耗也将增大。这些附加损耗除增加电力系统的损耗外，还使设备温升增加，尤其是局部发热点的温升可能增加更多，使设备绝缘老化加速。

2.恶化绝缘条件，缩短设备寿命。除附加发热影响绝缘寿命外，还因为在较高频率的电场作用下，绝缘的局部放电加剧，介质损耗显著增加，致使温升提高。

3.引起电机的机械振动.由谐波电流和电机旋转磁场相互作用产生的脉动转矩使电机发生机械振动，当电机机械系统的自然频率在受到上述转矩激发而引起共振时，会损坏电机设备，甚至危及人身的安全。

4.无功补偿电容器组会引起谐波电流的放大，甚至造成谐振。无功补偿电容器与电力系统中的电感构成了局部电感、电容回路，它们的一些组合有时会对某次的谐波电流起到放大的作用，加剧了谐波的危害。当其局部回路的谐振频率与系统中存在的某次谐波频率相同或相近时，就会造成危险的过电流和过电压。

5.对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作。这些保护和控制设备通常都是按照工作于所加瘫或电流为工频正弦波而设计的，谐波的存在使它们的正常工作条件受到干扰，工作特性改变，严重时会造成误动作或拒动作。对计算机的干扰严重时使其无法正常工作。

6.影响测量仪器的精度，造成电能计量误差。电力测量仪表一般是按照工频正弦波形而设计的，当存在谐波时将产生误差。

7.干扰相邻通信线路和铁道信号线路的正常工作。谐波的干扰会引起通信系统的噪声，降低通话的清晰度。干扰严重时会引起信号的丢失，在谐波和基波共同作用下引起电话响铃，甚至发生危及设备和人身安全的事故。

谐波的抑制方法

当前，解决谐波污染的途径主要有两条:一是装设谐波补偿装置，二是对电力电子装置本身进行改造。前者用来补偿谐波时适用于各种谐波源，其装设原则是:在谐波源处就近安装。这是因为待谐波电流进入高压电网后再采取措施，无论在技术上还是经济上都是不合理的。后者仅适用于对电力电子装置的谐波抑制。

采用有源电力滤波器抑制谐波是一个重要的发展趋势。该方法的基本原理是检测出补偿对象中谐波电流的大小，再由有源电力滤波器产生一个与谐波电流大小相等、极性相反的补偿电流抵消电网电流中的谐波成分，使其仅含有基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，补偿特性也不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的重视。

随着谐波问题的日益严重，国际电工委员会、国际大电网会议、国际供电会议和国际

电气电子工程师协会相继提出各自建议的谐波标准，我国也颁布了治理谐雄的国家标准《电力系统谐波管理暂行规定》和《电能质量公用电网谐波》。

有源电力滤波器的工业应用尚处于初期阶段，日本和美国已有相应的滤波装置投入实际的运行，我国目前正处于研制阶段，进行有源电力滤波器的研究和开发具有极其重要的意义。目前，由于大容量有源电力滤波器的成本较高，其推广受到一定的限制。但随着大功率电子器件技术的发展及成本的降低，有源电力滤波器将得到越来越多的应用。